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苏州纳米所在氮化镓基纳米柱材料和探测器领域取得进展

  氮化镓(Gallium nitride,GaN)作为宽禁带半导体,是第三代半导体的代表性材料,其为直接带隙材料,具有发光效率高、热导率大、物理化学性质稳定等优点,在照明、显示、探测等多个领域有较应用价值。低维(如纳米柱、量子点GaN基材料因其独特的物理特性,受到广泛关注。中科院苏州纳米所陆书龙团队利用分子束外延(Molecular-beam epitaxy,MBE)技术开展了GaN基纳米柱材料外延生长的研究,基于纳米柱结构的GaN基探测器有望获得良好的柔韧性,可以拓展GaN材料在光电探测器领域的发展与应用 

  在前期柔性GaN基纳米柱薄膜快速剥离技术和相关探测器件的基础上(ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3: 9943;ACS Photonics 2021, 8: 3282;Materials Advances, 2021, 2: 1006),该团队利用转移的(Al,Ga)N纳米柱薄膜制备出一种柔性自驱动紫外探测器,该器件具有较高的紫外/可见光抑制比(977)、探测率(2.51×1011 Jones)和透明度(Max: 81%)。实验发现,该自驱动探测器具有良好的柔韧性(图1),500次的大幅弯折之后,器件的光电流强度仍保持稳定。此外,GaN基材料稳定的物化性质和器件钝化工艺使探测器在长时间的光照测试(6000s)、耐久度测试(30天)后依然具有良好稳定性。 

  上述研究成果以Flexible self-powered photoelectrochemical photodetector with ultrahigh detectivity, ultraviolet/visible reject ratio, stability, and a quasi-invisible functionality based on lift-off vertical (Al,Ga)N nanowires为题,发表在Advanced Materials Interfaces,并被期刊选为背封面(Back Cover,图2)。 

  此外,团队在自驱动光电探测器中引入了GaN/铯铅溴(CsPbBr3)钙钛矿核壳异质结纳米柱结构,发现CsPbBr3量子点能够大幅提升光电流(约160%),从而提升响应度(1.08 vs 0.41 mA/W)。CsPbBr3量子点能够产生内建电场和调控能带,GaN与量子点之间的光反射有利于增加光子吸收和载流子产生,从而增强光电流。相关工作以Enhance the responsivity and response speed of self-powered ultraviolet photodetector by GaN/CsPbBr3 core-shell nanowire heterojunction and hydrogel为题,发表于Nano Energy上。

  研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院从0到1原始创新项目、江苏省重点研究项目等资助,以及苏州纳米所纳米真空互联实验站(Nano-X)、加工平台和测试平台的支持。 

 

1.基于(Al,Ga)N纳米柱的自驱动探测器的柔性和稳定性测试 

图2.基于中国水墨画所绘制的背封面(Back Cover,电流包围的鱼和莲花茎分别代表氧化还原反应和纳米柱,游动的蝌蚪代表电子-空穴对) 

3.基于GaN/CsPbBr3纳米柱结构的自驱动探测器的结构示意图、光电流测试曲线和能带示意图 


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